КОМПОЗИЦИОННЫЙ ПОЛИМЕРНЫЙ АНТИФРИКЦИОННЫЙ МАТЕРИАЛ НА ОСНОВЕ ПОЛИАМИДА Российский патент 2015 года по МПК C08J5/16 B82B3/00 C08L77/00 C08K3/04 

Изобретение относится к области машиностроения, а именно к композиционному полимерному антифрикционному материалу на основе полиамида, используемому для изготовления изделий различного трибологического назначения, например подшипников скольжения, применяемых в машиностроении, автомобилестроении, химической и в других отраслях машиностроения, а также для изготовления изделий для тормозной системы рельсового пассажирского или грузового транспорта, в том числе вагонов метрополитена, эксплуатирующихся без использования смазки.

Известен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном (см. патент РФ №2441787, МПК B61H 13/34, F16C 33/04, 10.02.2012 г.).

Однако известный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида при своем использовании в изделиях трибологического назначения имеет следующие недостатки:

- недостаточный срок службы из-за высокого суммарного износа в паре трения,

- недостаточная стабильность коэффициента трения (0,66-0,72) при трении по материалу контртела из стали 40Х,

- повышенную интенсивность линейного изнашивания при трении по материалу контртела из стали 40Х (5×10^-5 мкм/км),

- недостаточным разрушающим напряжением при растяжении (160 МПа).

Задачей изобретения является разработка композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида.

Техническим результатом является повышение срока службы изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида изделий различного трибологического назначения за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, повышение стабильности коэффициента трения при трении по материалу контртела из стали 40Х, повышение разрушающего напряжения при растяжении, сохранение ударной вязкости по Шарпи на образцах без надреза при одновременном сохранении заданного предела прочности при сжатии, а также низкого коэффициента трения при повышении его стабильности.

Технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что предложен композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, при этом в качестве полиамидной основы материал содержит полиамид или смесь полиамида с 20-40 мас.% поли-ε-капроамида, содержит хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина от 1 до 70 мкм, при этом в качестве полиамида используют полиамид 6, или Капролон В или Эрталон, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 3,48 до 10,5 мас.%, при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:

углеродное волокно или смесь

углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамидная основа остальное до 100%

При этом в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна. При этом углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута, или рубленого жгута или рубленой ленты, а стекловолокно используют в виде рубленой нити, при этом длина рубленых жгута или ленты углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.

Среди существенных признаков, характеризующих предложенный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, отличительными являются:

- содержание в материале в качестве полиамидной основы полиамида или смеси полиамида с 20-40 мас.% поли-ε-капроамида,

- содержание хаотично расположенных углеродных нанотрубок в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70,

- выбор внешнего диаметра углеродных нанотрубок от 0,1 до 100 нм, а их длины от 1 до 70 мкм,

- в качестве полиамида используют полиамид 6, или Капролон В или Эрталон,

- выбор содержания стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 3,48 до 10,5 мас.%,

- выбор следующего количественного содержания компонентов, мас.%:

углеродное волокно или смесь

углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамидная основа остальное до 100%

- использование в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала углеродного волокна, полученного из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна,

- использование углеродного волокна композиционного полимерного антифрикционного материала в виде жгута, или рубленого жгута или рубленой ленты, а также использование стекловолокна в виде рубленой нити,

- выбор длины рубленых жгута или ленты углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна от 1 мм до 48 мм.

Экспериментальные испытания изготовленных из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида изделий различного трибологического назначения в составе пары трения с контртелом из стали ст. 40Х с твердостью 32-38 HRC, показали их высокую эффективность. Было установлено, что повышен срок службы предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида 16-18%, при этом износ слоя скольжения предложенного материала при трении по полированной стальной паре из стали 40Х составил 1×10^-7-7×10^-8 мкм/км, сохранена ударная вязкость по Шарпи на образцах без надреза на уровне 45-55,8 кДж/м², сохранен предел прочности при сжатии на уровне 160-180 МПа и одновременном повышении разрушающего напряжения при растяжении до 174-201 МПа. Одновременно установлено, что предложенный композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида имеет коэффициент трения при трении по полированной поверхности контртела из стали 40Х с твердостью 32-38 HRC в пределах 0,11-0,16, при этом достигнуто повышение стабильности коэффициента трения до 0,89-0,92.

В таблице 1 представлены экспериментальные составы предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида, использованного для изготовления изделий различного трибологического назначения, а в таблице 2 показаны штатные характеристики изделий трения.

В качестве полиамида основы предложенного «Композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида» заявители использовали Капролон только марки РА 6 С по ТУ 6-05-988-87 или ТУ 5.966-13411-83 (при значительном количестве марок Капролона, выпускаемого фирмой НТО «Альвис», ООО «Росизолит» и компанией «БАРТ»), а также использовали Эрталон (ERTALON) марки 6PLA.

Исследования ударной вязкости проводилось на маятниковом копре по методу Шарпи на образцах типа 2 без надреза по ГОСТ 4647-80. Исследование характеристик трения (характеристики трибологии) предложенных втулок рычажной тормозной системы рельсового транспорта проводились на машине трения УМТ 2168.

Технология изготовления изделий из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида с рабочими поверхностями скольжения не требует для своего использования специфического технологического оборудования и включает в себя литье под давлением в литьевой машине изделий заданных геометрических форм.

Изготовленные из предложенного композиционного полимерного антифрикционного материала на основе полиамида детали трения по сравнению с известным композиционным полимерным антифрикционным материалом - прототипом имеют увеличенный эксплуатационный ресурс за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания рабочего слоя скольжения при трении по полированной стальной паре из стали 40Х, обладают ударной вязкостью по Шарпи на образцах без надреза на уровне 45-55,8 кДж/м², пределом прочности при сжатии на уровне 160-180 МПа и одновременно повышенным разрушающим напряжением при растяжении до 174-201 МПа. Кроме того, предложенные изделия характеризуются повышенной стабильностью коэффициента трения при трении по материалу контртела из стали 40Х при одновременном сохранении низкого коэффициента трения и предела прочности при сжатии.

Изобретение относится к композиционному полимерному антифрикционному материалу на основе полиамида для изготовления изделий трибологического назначения, например подшипников скольжения, а также для изготовления изделий тормозной системы рельсового пассажирского или грузового транспорта, эксплуатирующихся без использования смазки. Композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида содержит, мас.%: углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном - 9,7-42,4, углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70 - 0,05-0,55, полиамидную основу - остальное. Внешний диаметр нанотрубок выбран от 0,1до100 нм, а длина - от 1 до 70 мкм. Полиамидная основа содержит полиамид или смесь полиамида с 20-40 мас.% поли-ε-капроамида. Изобретение позволяет повысить срок службы изделий за счет значительного снижения интенсивности линейного изнашивания при трении, повысить стабильность коэффициента трения, повысить разрушающее напряжение при растяжении, сохранить ударную вязкость по Шарпи при сохранении заданного предела прочности при сжатии. 2 з.п. ф-лы, 2 табл.

1. Композиционный полимерный антифрикционный материал на основе полиамида, содержащий в качестве волокнистого наполнителя углеродное волокно или смесь углеродного волокна со стекловолокном, отличающийся тем, что в качестве полиамидной основы материал содержит полиамид или смесь полиамида с 20-40 мас.% поли-ε-капроамида, содержит хаотично расположенные углеродные нанотрубки в виде однослойных, или многослойных с количеством слоев от 2 до 70 или вложенных друг в друга свернутых в трубку графитовых плоскостей с количеством слоев от 2 до 70, при этом внешний диаметр углеродных нанотрубок выбран от 0,1 до 100 нм, а их длина - от 1 до 70 мкм, при этом в качестве полиамида используют полиамид 6, или Капролон В или Эрталон, содержание стекловолокна в его смеси с углеродным волокном волокнистого наполнителя композиционного полимерного антифрикционного материала выбрано от 3,48 до 10,5 мас.%, при следующем количественном содержании компонентов, мас.%:
углеродное волокно или смесь
углеродного волокна со стекловолокном 9,7-42,4 углеродные нанотрубки 0,05-0,55 полиамидная основа остальное до 100%

2. Материал по п. 1, отличающийся тем, что в качестве углеродного волокна волокнистого наполнителя композиционный полимерный антифрикционный материал содержит углеродное волокно, полученное из высокомолекулярного гидратцеллюлозного волокна или из полиакрилонитрильного волокна.

3. Материал по п.1, отличающийся тем, что углеродное волокно композиционного полимерного антифрикционного материала используют в виде жгута, или рубленого жгута или рубленой ленты, а стекловолокно используют в виде рубленой нити, при этом длина рубленых жгута или ленты углеродного волокна и рубленой нити стекловолокна выбрана от 1 мм до 48 мм.